2000年8月北京航空航天大学学报August2000第26卷第4期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.26No14超机动飞机的非线性飞行控制研究范子强方振平(北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系)摘要:介绍了应用非线性动态逆理论进行战斗机过失速机动条件下飞行控制律设计的具体过程,首先根据奇异摄动理论将受控状态变量分为快变量和慢变量两个层次,快变量为三个角速率,慢变量为迎角、侧滑角和速度滚转角,然后根据非线性动态逆理论分别对内环和外环进行设计,其中外环控制器的输出作为内环控制器的输入指令.最后对所设计的飞行控制律利用过失速机动仿真来加以验证,结果表明本文设计的飞行控制律完全能够在过失速机动条件下控制飞机跟踪指令飞行.关键词:飞行力学;飞行控制系统;仿真;非线性动态逆;过失速机动中图分类号:V212.1;V249.122文献标识码:A文章编号:100125965(2000)0420404204过失速机动是现代及下一代战机的主要特统输出,视具体任务而定.征.采用过失速机动比进行常规机动将赢得明显对于系统(1),记x∈Rn,u∈Rp,y∈Rm,设p的战术优势[1],然而,由于过失速机动时迎角和角≥m,则系统(1)的逆动态可以通过对输出y求导速率都相当大,飞机的动力学特性具有强烈的耦直到结果中出现u为止[3].设系统具有相对阶r合、非线性的特点,此时,用线性方法进行飞控设=(r1,r2,⋯,rm),则原输出方程可改写成计将很难满足如此苛刻的飞行条件[2],需要寻求yr=b(x)+A(x)u(2)新的设计方法.非线性动态逆就是一种合适的方其中,A(x)称为解耦矩阵,代表了非线性控制分法.最近十年来,关于动态逆的理论在飞控设计中布;b(x)代表非线性输出动态.如果A(x)是可的应用研究吸引了大量的学者,国内也有相关的逆的,则可以得到逆系统的控制输入为-1论文发表,但其机动动作较简单,或是常规机动,u=A(x)[-b(x)+v](3)或是纵向过失速机动,本文将着重于对复杂过失式中v代表了期望的系统闭环动态特性.这样,速机动进行飞控设计和仿真,并探讨推力矢量、油在动态逆控制律(3)作用下,则系统输出为r门位置对过失速机动影响等.y=v(4)1非线性动态逆2飞机运动数学模型非线性动态逆方法是直接基于非线性对象进飞机的全方位六自由度非线性刚体动力学模行设计的一种方法.这种方法对于仿射非线性系型可由以下状态方程组表述.1统是行之有效的.其实质就是通过非线性状态反VÛ=[cosαcosβ(T+C€qS)+sinβ(T+mxxy馈和控制矩阵求逆的方法将原仿射非线性系统等Cy€qS)+sinαcosβ(Tz+Cz€qS)]-gsinγ)效转换成线性解耦结构,从而可以采用常规的线1χÛ=[(sinμsinα-cosμcosαsinβ)-性系统设计方法进行控制系统设计.mVcosγ飞机的动力学模型可以写成如下仿射方程:(Tx+Cx€qS)+cosμcosβ(Ty+Cy€qS)-Ûx=f(x)+g(x)uμαβμα(1)(cossinsin+sincos)(Tz+Cz€qS)]y=h(x)1γÛ=[(sinμcosαsinβ+cosμsinα)·其中,x为飞机的状态变量;u为控制量;y为系mV收稿日期:1998212221基金项目:博士点基金资助项目作者简介:范子强(1972-),男,湖南隆回人,博士生,100083,北京.第4期范子强等:超机动飞机的非线性飞行控制研究504(Tx+Cx€qS)-sinμcosβ(Ty+Cy€qS)+同时,将内环快变量状态方程改写成如下仿(sinμsinαsinβ-cosμcosα)·射方程形式:gcosγpfp(„x)(T+C€qS)]-zzVq=fq(„x)+g(‰x)u(5)Ûp=[Iz(L+LT)+Izx(N+NT)+rfr(„x)I(I+I-I)pq+Tzxzxy其中,状态变量‰x=[V,β,α,p,q,r,μ,γ],控制222(IyIz-Iz-Izx)qr]/(IxIz-Izx)T变量u=[δh,δa,δr,δy,δz].()(22)Ûq=[M+MT+Iz-Ixpr+Izxr-p]/Iyfp=[IzL′+IzxN′+Izx(Iz+Ix-Iy)pq+222Ûr=[Izx(L+LT)+Ix(N+NT)+(IyIz-Iz-Izx)qr]/(IxIz-Izx)2222(Ix-IxIy+Izx)pq+Izx(Iy-fq=[M′+(Iz-Ix)pr+Izx(r-p)]/Iy222Iz